Ładowanie jak tankowanie

HondaByć może już niedługo, podjeżdżając na stację ładowania akumulatorów i prosząc "do pełna", nie będziemy musieli szukać sobie zajęcia na kilkadziesiąt minut do kilku godzin. Zdążymy co najwyżej wypalić papierosa, czego na współczesnej stacji paliw robić nie wolno. Tylko czy kierowcy elektrycznego samochodu wypada pokazywać się z tak niezdrowym i nieekologicznym atrybutem?

Uczeni z amerykańskiej uczelni opracowali specjalną trójwymiarową, samoukładającą się nanostrukturę do budowy katod ogniw litowo-jonowych i niklowo-metalowo-wodorkowych, dzięki której możliwe jest dużo szybsze ładowanie i rozładowywanie, bez strat po stronie pojemności. Wyniki badań opublikowano w magazynie fachowym Nature Nanotechnology i choć szczegółowy opis brzmi jak instrukcja obsługi pojazdu kosmicznego o napędzie antygrawitacyjnym, całość prezentuje się wyjątkowo obiecująco.

Zasada działania opiera się na ułożonym w warstwy materiale elektrolitycznym (dwutlenku manganu), pomiędzy którego „pokładami” szybko przepływają jony i elektrony. Dzięki skrajnej miniaturyzacji, uzyskano wysoką powierzchnię aktywną (jak w samochodowym katalizatorze spalin, którego wkład po rozłożeniu zajmowałby obszar boiska do piłki nożnej), łącząc niejako zalety akumulatorów i kondensatorów. Nowa technologia pozwala więc jednocześnie kumulować duże ilości energii oraz szybko ją przesyłać w obie strony (do ogniwa i z niego). Używając miary, według której wartość 1C oznacza pełne naładowanie lub rozładowanie w ciągu godziny, określono tempo napełniania ogniw wyposażonych w nową technologię na poziomie od 400C (litowo-jonowe) do 1000C (NiMH), czyli od zera do pełna w 1/400 lub 1/1000 godziny. W praktyce oznacza to ładowanie do 90% pojemności w 2 minuty.

Sam w sobie taki czas jest może mało obrazowy, a więc dodajmy, że przekłada się to na przyspieszenie od 10 do nawet 100 razy w stosunku do ogniw z elektrodami konwencjonalnymi. Na mniejszą skalę okazuje się, że telefon czy komputer przenośny można by naładować w kilka sekund lub minut, a nie godzin, jak dziś. Korzyści dla medycyny byłyby również znaczne - na przykład defibrylator używany do reanimacji mógłby działać bez przerw na ładowanie, skuteczniej ratując ludzkie życie. Wróćmy jednak do motoryzacji: Paul Braun, przewodzący badaniom, które doprowadziły do opracowania nowej technologii, ocenia, że dzięki osiągnięciom jego zespołu naładowanie akumulatorów w samochodzie trwałoby tyle, ile teraz zajmuje zatankowanie do pełna konwencjonalnym paliwem. W obliczu tak wyraźnego postępu nawet ograniczony do 150-200 km zasięg przestaje być zasadniczą barierą w wygodnym użytkowaniu samochodu „na baterie”, oczywiście pod warunkiem, że po drodze regularnie rozmieszczone są punkty poboru energii, na wzór dzisiejszych stacji benzynowych.

Sama technika zastosowana przez uczonych University of Illinois nie jest tak naprawdę nowa - podobne metody tworzenia złożonych nanostruktur stosuje się w różnych gałęziach przemysłu od pewnego czasu, co oznacza relatywną łatwość wprowadzenia świeżej zdobyczy techniki do produkcji. Najpoważniejszą innowacją jest tak naprawdę zdolność mikroskopijnej konstrukcji do samodzielnego porządkowania się, co wygląda następująco: specjalnie przygotowaną powierzchnię pokrywa się warstwami gęsto ułożonych kuleczek tak, aby powstała regularna siatka. Zrobienie tego „na piechotę” byłoby wyjątkowo czasochłonne, jednak zastosowane tu kuleczki dysponują niezwykłą właściwością automatycznego ustawiania się w sposób regularny, co upraszcza cały proces. Następnie, w przestrzeń między kulistymi ziarenkami wlewa się metal, a ziarenka roztapia lub rozpuszcza, co daje w efekcie porowatą metalową strukturę o wysokiej przewodności i znacznej powierzchni wewnętrznej. Tak powstałą „ramę” pokrywa się warstwą aktywnego materiału (MnO₂) i... gotowe. Cały sekret polega więc na zwiększeniu powierzchni czynnej.

Choć na razie zademonstrowano jedynie możliwości nowej technologii w dwóch najpopularniejszych typach ogniw (Li-Ion i NiMH), twórcy podkreślają uniwersalność swojego wynalazku i łatwość zastosowania go także w bateriach innych rodzajów, o ile tylko elektrolit da się umieścić na powierzchni metalowego nanoszkieletu. Czyżby w ten sposób powstał groźny rywal dla raczkujących dopiero w branży samochodowej superkondensatorów? Niewykluczone, jednak z wybuchami entuzjazmu radzimy jeszcze się wstrzymać. Jak podano, prace naukowców były wspierane przez amerykańską armię oraz Departament Energii USA, co prawdopodobnie oznacza, że jako pierwsze z dobrodziejstw nowatorskiego odkrycia skorzysta wojsko. Wygląda jednak na to, że warto poczekać.